ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA
Propaganda
ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA Funcionamento: INTRODUÇÃO Aulas Teóricas Aulas de Laboratório Avaliação: Exercícios de 3 em 3 semanas 40% Relatórios dos trab. de laboratório 20% Exame Final 40% Bibliografia: Textos de Apoio Guias de Laboratório Colecção de Problemas Livros Contactos: Beatriz Vieira Borges (responsável) email:[email protected] IST-DEEC 2003 Profª Beatriz Vieira Borges ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA INTRODUÇÃO Conteúdo da Disciplina: Disciplina 6. Conversores CC/CC: 1. Introdução à Electrónica de Potência 2. Dispositivos electrónicos Topologias básicas 3. Circuitos com interruptores e diodos Princípios de operação 4. Regimes transitórios, recuperação de energia. Fontes de alimentação de comutada c. isolam. galvânico 5. Conversores CA/CC (rectificadores monofásicos): Modelização de conversores Rectificadores não controlados Rectificadores controlados 7. Transformadores e bobines de alta frequência 8. Conversores CC/CA: Princípios de operação e técnicas de modulação Condução simultânea 9. Amplificadores audio comutados 10. Técnicas de comutação ressonante IST-DEEC 2003 Profª Beatriz Vieira Borges ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA INTRODUÇÃO Conversor Electrónico CIRCUITO DE POTÊNCIA Alimentação CC ou CA CARGA Potência de Saída Potência de Entrada comando Alimentação CIRCUITO DE CONTROLO Sinais Dados CIRCUITO DE POTÊNCIA Realimentação CIRCUITO DE CONTROLO E COMANDO - dispositivos semicondutores - dispositivos electrónicos necessários à - filtros de entrada e de saída regulação e comando do conversor - transformador de potência - protecções IST-DEEC 2003 Profª Beatriz Vieira Borges ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA INTRODUÇÃO Grande densidade de potência [W/cm3] Alto rendimento Conversor PI PO electrónico η=PO/PI Quando o rendimento é baixo, há grande dissipação térmica no interior do conversor. O calor gerado tem que ser retirado para o exterior IST-DEEC 2003 Profª Beatriz Vieira Borges perda de FIABILIDADE GRANDES DIMENSÕES (dissipadores) ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA Dispositivos electrónicos a funcionar na condução e no corte CONDUÇÃO CORTE VDS=0 ID=0 Componentes não dissipativos ID VDS PD=ID*VDS=0 lineares X X IST-DEEC 2003 INTRODUÇÃO Profª Beatriz Vieira Borges comutados ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA VI=100V Resistência V I=100V variável η=50% Semicondutor VI=100V linear η=50% IST-DEEC 2003 Conversor + - CC-CC + - + - Potência de Perdas=500W Potência de Perdas=500W INTRODUÇÃO IO R=5Ω + VO=50V - IO=10A + R=5Ω VO=50V - X IO=10A + R=5Ω VO=50V - X Profª Beatriz Vieira Borges ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA η=100% Conversor comutado iI VI=100V I=10A 1 + + 2 - INTRODUÇÃO vS(t) + FILTRO - VO R T 1 VO = ∫ v S (t )dt = DV I T 0 - VI vS(t) VO=DV DT IST-DEEC 2003 1-DT Profª Beatriz Vieira Borges ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA 1 VI + - 2 INTRODUÇÃO + L VI C R Conversor comutado VO - iI VI L + C - + iC VO R Realimentação compensador Drive do transistor δ(t) MLI vε G(s) vRef DT T t Tensão de referência vε(t) t IST-DEEC 2003 Profª Beatriz Vieira Borges Circuito de controlo ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA INTRODUÇÃO Classificação de conversores quanto às formas de onda das tensões de entrada e de saída Conversores CA-CC rectificadores Conversores CA-CA Conversores CC-CC Conversores CC-CA IST-DEEC 2003 Profª Beatriz Vieira Borges inversores ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA Conversores CA-CC Comutação natural INTRODUÇÃO vO v VO(av) ωt iO iO α CC iI CA vI c a r g a vO ωt vAK1 ωt v1 = 2 sin ωt α iI >0 ee vvO>0 >0ou ou<<00 iiOO>0 O IST-DEEC 2003 2π+α π Profª Beatriz Vieira Borges 2π+α π+α ωt ωt ωt ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA INTRODUÇÃO iO Conversores Conversores CA-CC CA-CC v1 = 2 sin ωt vI Circuitosde deDrive Drive Circuitos iI c a r g a vO Transformadoresde deimpulsos impulsos Transformadores Transformadorde de Transformador amostragemda datensão tensão amostragem deentrada entrada de IST-DEEC 2003 Controlador Controlador Profª Beatriz Vieira Borges ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA INTRODUÇÃO Conversores CA-CA Comutação natural iO vI CA vO v CA carga VO(av) = 0 ωt iO vO α 2π+α π vAK1 v1 = 2 sin ωt ωt α >0ou ou<<00ee vvO>0 >0ou ou<<00 iiOO>0 O IST-DEEC 2003 ωt Profª Beatriz Vieira Borges 2π+α π+α ωt ωt ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA INTRODUÇÃO iO Conversores CA-CA Comutação natural CA Circuitos de “drive” idênticos aos dos rectificadores IST-DEEC 2003 Profª Beatriz Vieira Borges vI v1 = 2 sin ωt carga vO CA ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA INTRODUÇÃO Conversores CC-CC Comutação forçada CC CC iO vI vO c a r g a iO ton t T t vO v1 = VI IST-DEEC 2003 T ton Profª Beatriz Vieira Borges ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA INTRODUÇÃO Conversores CC-CC Comutação forçada Circuitode depotência potência Circuito iO v1 = VI vI vO Circuitode de Circuito controlo controlo IST-DEEC 2003 Profª Beatriz Vieira Borges c a r g a ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA INTRODUÇÃO Conversores CC-CA Comutação forçada v1 = VI iO CC iO vI CA carga vO T/2 vI vO -vI ou<<00 iOiO ee vvOO >>ou IST-DEEC 2003 T Profª Beatriz Vieira Borges t t T/2 T ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA INTRODUÇÃO Conversores CC-CA iO vI R S e vO > ou < 0 Circuito deiO potência Circuito de controlo IST-DEEC 2003 Profª Beatriz Vieira Borges T ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA INTRODUÇÃO Conversores Especiais iI VI L + iL + n:1 vL - ideal - CC iC D S CA CC C + vO(t) R - Circuitode depotência potência Circuito Fonte comutada de alta frequência CC-CAhf-CC Freq. [100kHz] Pot<100W η<85% Circuitode de Circuito controlo controlo IST-DEEC 2003 Profª Beatriz Vieira Borges ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA INTRODUÇÃO Conversores Especiais Fontecomutada comutada Fonte comcorrecção correcçãodo do com factorde depotência potência factor CA-CC- CC-CAhf-CC vI CC iI L iL ω iI t + n:1 vL - ideal S v1 = 2 sin ωt CA CA IST-DEEC 2003 CC D vI ωt iIav(ω t) CC Profª Beatriz Vieira Borges iC C + R vO(t) - ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA INTRODUÇÃO Conversores Especiais VI iI L iL + - LS + - Fonte Quase Ressonante n:1 ideal S iC D vL CS C + vO(t) R - Circuitode depotência potência Circuito ZVS “Zero Voltage Switching” CC-CAhf-CC Frequência: [1MHz] Circuitode de Circuito controlo controlo IST-DEEC 2003 Profª Beatriz Vieira Borges Pot<50W η<95% ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA Conversores Especiais INTRODUÇÃO Fonte com comutação Ressonante Circuitode depotência potência Circuito “Zero Voltage Switching” CC-CAhf-CC Frequência: [250kHz] Circuitode de Circuito controlo controlo IST-DEEC 2003 Pot<1kW η=97% Profª Beatriz Vieira Borges ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA Conversores Especiais INTRODUÇÃO Amplificador Audio Comutado CA-CC-CAhf-CA Circuitode depotência potência Circuito Frequência: [132 kHz] Circuitode de Circuito controlo controlo IST-DEEC 2003 Profª Beatriz Vieira Borges Pot<2kW η<80% ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA INTRODUÇÃO Processos de comutação: comutação natural: Quando num circuito estão criadas as condições, por via da fonte de alimentação ou da carga, ou por entrada de outro dispositivo do circuito por forma que a corrente num dispositivo se anule, passando este ao estado de corte, sem actuação exterior. comutação pela fonte comutação pela carga iT iT iT iT t iG iG t t IST-DEEC 2003 t Profª Beatriz Vieira Borges ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA INTRODUÇÃO comutação forçada: Quando é necessário actuar no terminal de controlo do dispositivo, ou num circuito auxiliar, para passar o dispositivo do estado de condução ao estado de corte. R V iT L iG t t natural - linha carga forçada IST-DEEC 2003 (comutam devido à forma das tensões de entrada) “line frequency converters” (a carga que provoca o anulamento de corrente). “load commutated converters” - conversores comutados “switching converters” Profª Beatriz Vieira Borges + ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA Conversor CA-CC P ∞ ∞ n =1 n =1 vO = VO + ∑ a n cos n ω t + ∑ bn sin n ω t v I = 2VI sin ωt + N vI INTRODUÇÃO vO Ideal vO=VO vI vO N P Conversor CC-CA P Filtragem - vI + vO - vI ∞ n =1 n =1 vO = ∑ a n cos n ω t + ∑ bn sin n ω t v I = VI N ∞ vO Ideal vO=√2 VO sin ωt N Filtragem P IST-DEEC 2003 Profª Beatriz Vieira Borges ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA INTRODUÇÃO Procedimentos básicos em electrónica de potência: Não ligar em série geradores de correntes diferentes. C diferentes. Não ligar em paralelo fontes de tensão Não abrir circuitos indutivos. Não curto-circuitar circuitos capacitivos. Se a alimentação é uma fonte de tensão a carga tem características de fonte de corrente (bobine em série com a carga). Se a alimentação é uma fonte de corrente a carga tem características de fonte de tensão (condensador em paralelo com a carga). Eliminação de incompatibilidades por introdução de elementos reactivos de adaptação: V introdução de C para abrir circuito indutivo introdução de L para ligar duas fontes de tensão diferentes IST-DEEC 2003 L L V R V R C Profª Beatriz Vieira Borges R abrir fechar V L R C ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA INTRODUÇÃO DISPOSITIVOS SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA: 1. diodo A K K A 2. tiristor - (SCR) “silicon controlled rectifier”. G B G C E 4. transistor bipolar - (TJB). K A 3. tiristor de corte comandado (GTO) - “gate turn off thyristor”. B D D E C 5. transistor de efeito de campo de potência (MOSFET). G C G 6. IGBT - “insulated gate bipolar transistor”. E A 7. MCT - “MOS controlled thyristor”. G K IST-DEEC 2003 Profª Beatriz Vieira Borges G S S ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA Diodo A INTRODUÇÃO K Conduz se a tensão vAK se tornar positiva. Bloqueia se a corrente IF se tornar negativa Característica Característica ideal ideal IF VAK IST-DEEC 2003 Profª Beatriz Vieira Borges ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA Tiristor INTRODUÇÃO K A Semi-controlado Semi-controlado G Conduz se vAK for positivo e se existir um impulso de corrente na “gate” de curta duração. Controlo apenas na passagem a ON Bloqueia se a corrente IF se tornar negativa A IAK Característica Característica ideal ideal vAK iG IST-DEEC 2003 iG VO(av) disparo α VAK Profª Beatriz Vieira Borges K G vO v IF bloqueio + VAK - ωt 2π+α ωt ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA MOSFET INTRODUÇÃO D G Totalmente controlado. Conduz se vGS for positiva. S Bloqueia se vGS se tornar nula ou negativa Característica Característica ideal ideal ID VDS IST-DEEC 2003 Profª Beatriz Vieira Borges ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA IGBT INTRODUÇÃO C Freq. [20 kHz] G Totalmente controlado. Conduz se vGE for positiva. E Bloqueia se vGE se tornar nula ou negativa Característica Característica ideal ideal IC VCE IST-DEEC 2003 Profª Beatriz Vieira Borges ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA INTRODUÇÃO Transformadores de Alta Frequência v1 v2 Núcleo de ferrite v1 N1 = v2 N 2 i2 N 1 = i1 N 2 IST-DEEC 2003 v1 i1 + - Profª Beatriz Vieira Borges i2 + - ideal ideal v2 ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA INTRODUÇÃO Transformadores de Alta Frequência Esquema equivalente i’1 + v1 - IST-DEEC 2003 Ll1 iµ Lµ i1 i2 + + - - N1 :N2 Profª Beatriz Vieira Borges i’2 Ll2 + v2 - ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA INTRODUÇÃO Transformadores de Alta Frequência i’2 i1 i2 i’ 1 + Ll1 v1 - IST-DEEC 2003 + + - - N1 :N2 Ll2 N2 Lµ N1 2 + v2 - Lµ = infinita (indutância de magnetização) Ll1 (indutâncias de dispersão) e Ll2 = 0 Profª Beatriz Vieira Borges ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA INTRODUÇÃO ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA (área multidisciplinar) Estudo dos conversores electrónicos: topologias, dispositivos semicondutores, técnicas de modelação, processos de controlo e sua caracterização, técnicas de filtragem e supressão de harmónicas, etc. PROJECTO AJUDADO POR COMPUTADOR ELECTRÓNICA ANALÓGICA E DIGITAL TOPOLOGIAS CONTROLO DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS DISPOSITIVOS SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA REGULAÇÃO E CONTROLO CIRCUITOS INTEGRADOS VLSI IST-DEEC 2003 µCOMPUTADORES µPROCESSADORES Profª Beatriz Vieira Borges ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA INTRODUÇÃO Principais campos de aplicação / áreas emergentes Equipamento Informático Sistemas aeroespaciais e de satélites Máquinas eléctricas Telecomunicações fontes de alimentação Balastros electrónicos Controlo intensidade luminosa Iluminação Conversores f Ignição e injecção electrónica Indústria automóvel IST-DEEC 2003 Profª Beatriz Vieira Borges Prof. Pedro Santos Energias alternativas ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA INTRODUÇÃO Áreas tecnológicas de aplicação / áreas emergentes Semicondutores de potência Módulos de Potência PIC Power Management Módulos DC/DC Componentes passivos Materiais magnéticos / núcleos Protecções Distribuição de energia Thermal Management Encapsulamento CEM (EMC) Simulação e modelização Regulação / Controlo Topologias de conversores IST-DEEC 2003 Profª Beatriz Vieira Borges Prof. Pedro Santos HVDC ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA INTRODUÇÃO Produtos e sistemas envolvidos na Electrónica de Potência Semicondutores de potência Módulos Darlington Sistemas de alimentação Componentes passivos Transformadores L fontes DC e AC C Conversores de Frequência R UPS Transformadores (isolamento, HF, ...) Estabilizadores Baterias Relés estáticos núcleos, ferrites, materiais magnéticos Converter IC enrolamentos Módulos Diodo/tiristor (hibridos) Módulos IGBT Smart Power IC e PICs Diodes potência Módulos MOSFET Motor Drivers Fontes de laboratório sistemas de Power Management módulos/conversores DC/DC Application-oriented ICs Thermal management Ferramentas CAD / CAE Sensores e Microsistemas Dissipadores Software de desenvolvimento Sensores de parâmetros eléctricos e magnéticos Radiadores e refrigeradores Software de simulação Sensores de temperatura Ventoinhas Micro-actuadores Elementos de Peltier Software para aplicações específicas Opto-Semiconductor Components IST-DEEC 2003 Profª Beatriz Vieira Borges Prof. Pedro Santos Software de teste ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA INTRODUÇÃO APLICAÇÕES • INDUSTRIAIS: • REDES DE ALIMENTAÇÃO DE ENERGIA ELÉCTRICA: Bombas;Compressores;Ventoinhas Máquinas ferramentas (Robots) Fornos de indução Iluminação “Lasers” Máquinas de soldadura Processos electroquímicos. Transmissão em corrente contínua e alta tensão (HVDC) Sistemas VAR estáticos Fontes de energia de recurso Sistemas de armazenamento de energia. • INDUSTRIA AERONÁUTICA E ESPACIAL: • COMERCIAIS: Aquecimento, ventilação e ar condicionado Aparelhagem de frio Iluminação Computadores e equipamento de escritório Fontes de alimentação ininterruptíveis (UPS) Elevadores. • TRANSPORTES: Controlo e accionam. de veículos eléctricos de tracção Carregadores de baterias Locomotivas eléctricas Metropolitano Carros eléctricos, automóveis, etc. IST-DEEC 2003 Sistemas de alimentação de potência de naves espaciais Sistemas de alimentação de potência de satélites Sistemas de alimentação de aviões. • TELECOMUNICAÇÕES: Carregadores de baterias Fontes de alimentação Fontes de alimentação ininterruptíveis. • APLICAÇÕES DOMÉSTICAS: Refrigeração e congelação; Aquecimento; Fornos; Electrónica de uso doméstico; Iluminação. Profª Beatriz Vieira Borges
